Математические модели и программные средства распределенных систем видеонаблюдения и идентификации объектов

Актуальность работы. В настоящее время процесс создания комплексных системы безопасности требует интеграции в них различных подсистем, отвечающих за множество отдельных аспектов безопасности, которые по тем или иным причинам разрабатывались параллельно и независимо. К таким подсистемам относятся системы пожарной безопасности, охраны периметра, контроля доступа сотрудников, учета рабочего времени и т. д. Хотя интеграция этих систем является актуальной проблемой, они по-прежнему остаются лишь набором слабо связанных между собой подсистем, а иногда и неспособных работать в комплексе. Каждая из них отвечает за свою область деятельности и не ориентирована на присутствие рядом другой системы. Таким образом, остро стоит вопрос о создании технологии обеспечивающей унифицированный подход к построению и управлению интегрированных систем безопасности, обеспечивающей возможность постоянного дополнения функциональности систем и изменения списка подсистем, отвечающих за новые аспекты обеспечения безопасности.

До 1990 года интеграция планировалась только на очень серьезных объектах и представляла собой простое проводное соединение специализированного «интегрируемого» оборудования. Между тем, такое объединение различных систем обладает ограниченными возможностями, причем связано это с исходной неприспособленностью интегрируемого оборудования к решению задач системного уровня.

Широко представленные в прессе проекты для большого спектра областей применения выделяют обобщенную схему их реализации, где предлагается трехуровневая иерархическая модель, включающая уровень полевого оборудования, уровень интеллектуальных контроллеров и серверов реального времени и уровень операторских станций. Каждый из уровней предполагает индивидуальный подход к разработке программного обеспечения (ПО), зависящий от решаемых на выбранном уровне задач, что не решает вопроса о взаимодействии компонент разных производителей.

Существуют решения, где разработчики предпринимают попытку создания своих моделей для решения широкого круга задач обеспечения безопасности с использованием программного и аппаратного обеспечения различных производителей. Такие попытки приводят/к появлению в системах множества модулей-драйверов и aдaптepoBj в то же время четко определяя функции, и положение каждого из, типов компонентов, как в сети, так и в подсистеме. Так четко выделяются сервера видеонаблюдения, сервера пожарной сигнализации, операторские станции, система аудио-оповещения: и т. д., работающие по правилам ядра системы, безопасности, предоставляемого каждым из разработчиков. К таким системам, поддерживающим довольно много производителей можно отнести Интегра-G и Lyrix.

Новейшие методологии программирования^ основанные на идее позднего связывания: программных компонентов (такие как COM/DCOM, CORBA, JAVA, ОРС и т. д.) — позволяют программистам решить проблемы совместимости различных подсистем с помощью введения заранее оговоренных протоколов взаимодействия компонентовКак правило, разработчики уделяют мало внимания на возможности интеграции систем от разных производителей. Кроме того., структура большинства рас-.-пределенных систем жестко привязана к решаемой ей задаче. Для придания системе «существенно новых» свойств, потребуется пересмотреть всю ее структуру. Кроме того, все элементы подобных систем взаимодействуют друг с другом имея определенные знания о составе системы вцелом и существованиии содержании соседних элементов, а, взаимодействие компонентов системы рассчитано на заранее определенные типы компонентов, что отрицательно влияет на, масштабируемость больших информационных систем. Из всего сказанного следует, что необходима методология построения интегрированных распределённых систем безопасности, которая должна быть универсальной, и не накладывать ни каких требований к внутренней реализации самого объекта и используемым в нем технологиям. Такая методология остро необходима в современных условиях роста спектра функций выполняемых системами безопасности и тенденций к интеграции их с другими подсистемами жизнеобеспечения. Она позволит формализовать процесс создания^ распределенных систем, ориентированных на решение не только существующих задач, но и задач, которые появятся со временем. Кроме того, существует настоятельная потребность, решения задач интеграции не только применительно к системам безопасности, но и к сложным информационным системам, использующихся в автоматизации производства и распределенных систем моделирования. Новая методология должна существенно повысить эффективность построения распределенных программных комплексов и взаимодействия процессов программного обеспечения.

Основная цель работы: повышение эффективности проектирования, создания и администрирования распределенных интегрированных систем безопасности, путем введения модели формальных компонентов, для обеспечения унифицированного способа управления, и модели взаимодействия элементов источник-приемник, обеспечивающей оптимальное взаимодействие процессов в программной системе.

Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Определение модели объектов;

2. Разработка метода и реализация управления объектами (удаленное и локальное);

3. Создание модели связи между объектами и способа взаимодействия, как между локальными, так и удаленными относительно друг друга объектами в среде с разнородными данными;

4. Моделирование процесса функционирования системы для оценки работоспособности;

5. Разработка метода и реализация механизма управления конфигурацией системы;

6. Разработка метода и реализация управления скоростью потоков данных для ограничения нагрузки на локальную систему и сеть;

7. Моделирование конфликтных ситуаций, возникающих при настройке интен-сивностей потоков данных;

Методы исследования. В качестве основных методов исследования выбраны метод математического моделирования и эксперимент, проводимый по замкнутой схеме, опирающийся на: математический аппарат статистического анализаметоды математического программированиячисленные методыметоды функционального, объектно-ориентированного программирования.

Защищаемые положения:

1. Модель программного компонента распределенной системы, включающая три категории компонентов: генератор, приемник и комплексный объект, обеспечивающая унифицированный способ управления потоками данных, компонентами и связями между ними.

2. Имитационная модель распределенной программной системы, построенной по схеме взаимодействия источник-приемник и объект-посредник, позволяющая выявлять возможные ситуации переполнения очередей данных и перегрузки системы, возникающие в процессе функционирования подобной системы на этапе проектирования.

3. Методология построения распределенных программных систем, по схеме источник-приемник и объект-посредник для доставки сообщений, обеспечивающая формализацию процесса создания и администрирования приложений, содержащих обратные связи любой топологии.

4. Модель объекта-посредника передачи данных между программными компонентами, реализующая распределенную среду передачи, позволяющая обеспечить обработку информационного потока одновременно всеми компонентами цепи обработки.

5. Алгоритм управления потоками данных в системе в условиях неполной информации о текущей конфигурации и производительности ее компонентов, на основе анализа текущего состояния параметров компонент системы обеспечивающий их оптимальную настройку и предотвращающий возникновение конфликтных ситуаций. .

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается экспериментальными данными, полученными при использовании программно-технических систем созданных при непосредственном участии соискателя, имеющими как научную, так и практическую ценность. Достоверность результатов, выводов и положений диссертационной работы обеспечивается:

• тщательной разработкой методик и алгоритмов создания и функционирования распределенных систем;

• совпадением параметров распределенной системы при моделировании и проведении экспериментальных испытаний;

• практическим использованием систем в производственных условиях ООО «Радио и сигнальные системы», Томского управления исполнения наказаний и ФГУП НИИ ГШ, г. Санкт-Петербург.

Научная новизна:

1. Создана модель компонента программной системы, основанная на использовании объектов генераторов, приемников и комплексных объектов, обеспечивающая построение распределенной вычислительной системы произвольной топологии.

2. Построена имитационная модель распределенной вычислительной системы, основанная на взаимодействии последовательных процессов и обеспечивающая оценку загрузки каждой компоненты и выявление потенциально критических ситуаций.

3. Разработана методология построения программных систем, основанная на модели формального элемента и объекта-посредника, обеспечивающая организацию взаимодействия элементов распределенных систем масштаба предприятия любой топологии, содержащих обратные связи.

4. Разработан алгоритм управления потоками данных в условиях неполной информации о производительности компонентов и текущей конфигурации системы, позволяющий индивидуально настраивать параметры каждого компонента без возможного зависания процесса.

Практическая значимость:

1. Разработанная методология построения распределенных вычислительных систем послужила основой для создания программного инструментального комплекса «Базис» — универсальной системы реализации распределенных программно-технических комплексов любой сложности и топологии масштаба предприятия.

2. С использованием комплекса «Базис» реализованы распределенная по локальной сети система видеонаблюдения и контроля доступа «Лик» и локально-распределенная (реализованная на одном компьютере) система идентификации личности по документам «Аккорд — Т»,.

3. Разработанные в диссертации методические, алгоритмические и информационные средства имеют практическую значимость независимо от топологии и архитектуры локальной вычислительной сети, типов ЭВМ и операционных сред.

4. Результаты исследований используются в учебном процессе на факультете автоматизированных систем ТУ СУР при чтении курса лекций и проведении лабораторных работ по дисциплине «Теория вычислительных процессов» и при выполнении научно-исследовательской работы студентами кафедры АСУ.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», НГУ (г. Новосибирск, 2002, 2003, 2004, 2005) — Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», ТУ СУР (г. Томск, 2003, 2005) — ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Московский Технический Университет (г. Москва, 2004) — всероссийской научной конференции студентов-физиков, АСФ (г. Екатеринбург, 2005). Результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры Автоматизированных систем управления Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Основное содержание диссертации отражено в 14 научных работах (в том числе в 4-х научных статьях, 10 докладах на конференциях различного уровня).

Структура и объем работы: Диссертация изложена на 151 страницах, содержит 47 рисунков и 15 таблиц, и состоит из введения, трех глав, заключения, и списка используемой литературы из 93 наименований и работ соискателя.

3.7. Выводы.

1. Созданные средства и утилиты, разработки, поставки и отладки «Базис SDK» позволяют в интерактивном режиме осуществлять создание объектов распределенной системы и устанавливать их взаимосвязи, тем самым обеспечивают существенное сокращение сроков её создания.

2. Использование инструментальных средств проектирования комплекса «Базис» позволило реализовать многоканальную программно-техническую систему «Лик» и аппаратно-программный комплекс автоматизированной идентификации личности по фотоизображению лица в системах контроля доступа «Аккорд — Т».

3. Экспериментальное исследование распределенной системы безопасности МНИТ, созданной по технологии «Базис», показало, что реализация распределенной системы обеспечивает рациональную загрузку компьютеров, участвующих в обработке за счет оптимального распределения объектов между ними.

Заключение

В диссертации выполнено исследование по организации распределенного вычислительного процесса для систем видеоконтроля и видеонаблюдения, и реализована система создания и администрирования подобных систем. Практическая реализация подтвердила эффективность разработанной технологии. Исследование выполнено полностью: создана система «Базис» и на реальных прикладных задачах подтверждена ее эффективность.

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

1. Разработанные в диссертации методология и программный комплекс и базирующиеся на модели взаимодействия источник-приемник, позволяют существенно повысить качество и скорость разработки, поставки и сопровождения распределенных систем, как при решении задач обеспечения безопасности, так и задач взаимодействия компонентов, связанных с обработкой разнородных данных.

2. Созданная в диссертации, объектная модель программного компонента. распределенной системы, основанная на разделении компонентов системы на источник, приемники и комплексные объекты, ускоряет процесс создания компонентов, внедрение их в уже действующие программные комплексы и повышает масштабируемость системы в целом и мобильность каждого из ее элементов.

3. Предложенная модель объекта-посредника передачи данных между программными компонентами и его реализация в комплексе «Базис», обеспечивающие единообразный и прозрачный доступ к обрабатываемым информационным потокам одновременно всеми компонентами цепи обработки, — расположенными как на локальном компьютере, так и удаленно, позволяют изменять состав распределенных систем и связей между компонентами, как в процессе функционирования, так и на этапе развертывания системы.

4. Созданная имитационная модель распределенной вычислительной системы, основанная на взаимодействии последовательных процессов, обеспечивает возможность выявления ситуаций переполнения очередей данных и перегрузки локальных систем, возникающих в процессе функционирования системы.

5. Разработанный алгоритм управления потоками данных в условиях неполной информации о производительности компонентов и текущей конфигурации системы, базирующийся на понятии сеанса подстройки, механизме «замка» и «корзины», позволяет индивидуально настраивать параметры каждого компонента без возможного зависания процесса, и допускает присутствия в системе обратных связей любой топологии.

6. Результаты испытаний комплекса «Базис» и реализованных с его использованием систем «Лик» и «Аккорд», приведенные в работе, подтвердили эффективность заложенных алгоритмов и моделей.

Рекомендации:

Перспективной областью применения разработанной технологии проектирования, создания и администрирования распределенных систем являются комплексы видеоконтроля и видеонаблюдения, а так же другие распределенные вычислительные системы, в том числе и системы безопасности.

Потенциальными потребителями результатов исследований являются исследовательские и конструкторские организации, занятые созданием и эксплуатацией вычислительных систем разной степени сложности.

Результаты диссертационной работы могут использоваться, и используются, в учебном процессе на факультете систем управления ТУ СУР при чтении лекций и проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Теория взаимодействия процессов» и в других родственных учебных заведениях.

Разработанный комплекс, так же, может быть использован для построения распределенных систем моделирования на базе GPSS World.